中學物理“思維型”課堂中概念教學的探討

李俊永+王長江

摘要：針對如何提高中學物理概念教學的效率問題，借鑒中學物理“思維型”課堂理論對概念教學進行研究，以人教版高中物理“功”的教學為例，從引入概念、形成概念、運用概念、反思小結(jié)四個環(huán)節(jié)探討中學物理概念教學的相關(guān)問題.

關(guān)鍵詞：“思維型”課堂；概念教學；物理概念

物理概念是物理思維的細胞，是建構(gòu)物理知識體系的基石.物理規(guī)律的建立和表達都需要以最基本、最核心的物理概念為支撐，解決物理問題需要對物理概念有深入的理解.高中物理概念的抽象性與深刻性對學生的認知能力提出了很高要求，怎樣有效、高效地開展概念教學從而提高物理教學的效率，是物理教學中一貫而又非常重要的問題.本文將要探討的是如何將“思維型”課堂的基本原理應用到概念教學當中去.

1思維型課堂教學的核心思想與基本原理[1]

當下許多物理教學中學生對物理概念的學習處于“學而不思”的狀態(tài)，被動接受現(xiàn)象相當普遍，他們根本不重視概念的學習，認為概念的學習對于解題無足輕重.對此，王長江副教授也有類似的看法[2].中學物理“思維型”課堂理論為解決這樣的共性問題打開了一扇窗口.思維型課堂教學強調(diào)課堂教學中師生活動的核心是“思維活動”，通過引發(fā)學生積極思考、主動探究的加速認知過程.在教學過程中，強調(diào)以誘發(fā)思維動機為特征的教學導入，以引發(fā)思維動力為特征的教學過程，以進行思維監(jiān)控為特征的教學反思，以達到靈活思考為目的的應用遷移.

11認知沖突

認知沖突指在認知發(fā)展的過程中，學習者原有的認知結(jié)構(gòu)無法同化或順應當前情景中出現(xiàn)的問題時在心理上形成的矛盾狀態(tài).在教學場域中這種矛盾的狀態(tài)是學生思維發(fā)展的內(nèi)在重要驅(qū)動力，教師應當依據(jù)教學的目標和重點在學生的“最近發(fā)展區(qū)”不斷地創(chuàng)設“兩難情景”，形成認知沖突鏈，促進學生思維發(fā)展.

12自主建構(gòu)

自主建構(gòu)包括認知建構(gòu)和社會建構(gòu).認知構(gòu)建強調(diào)學習是學習者積極主動地將知識進行自我經(jīng)驗化的處理，已有的認知結(jié)構(gòu)是學習新知的基礎并且需要在不斷激活中與新知產(chǎn)生實質(zhì)的聯(lián)系；社會建構(gòu)則強調(diào)課堂中師生、生生間的互動為教學中最基本、最重要的人際關(guān)系，不僅關(guān)注行為情感互動，更關(guān)注思維的互動.

13應用遷移

學習的目的在于將習得知識、能力遷移到新的問題情境中去.產(chǎn)生遷移的重要條件是學習者能在新舊問題情境中概括出共同要素.

14思維監(jiān)控

學習者應對自己的學習活動進行有意識的反思，診斷檢查自己的思維過程，尋找和檢查自己在學習中所達到的結(jié)果是否符合設置的目標.

2教材內(nèi)容的分析及概念流程圖

人教版中“功”這一節(jié)內(nèi)容編排在物理·必修2的第七章第二節(jié).在此之前初中物理教材已經(jīng)對功這一概念做了簡單的介紹，高中物理也對直線運動和曲線運動中力和運動的關(guān)系做了詳細的研究.基于學習進階理論，功概念的深入研究是對“力與運動”這一核心物理概念的深化，是物理學習方法論的重大轉(zhuǎn)變與認識論的重大超越.與功相伴隨的是“能量”這一重要核心概念，所以功與這兩大核心概念有著千絲萬縷的聯(lián)系.繼功之后教材又介紹了功率這一基本概念，功的地位使其成為“能量”的核心概念.功與能量的抽象性使得不少學生感到困難，也造成了學生不可能一次性地徹底掌握功的內(nèi)涵與外延，利用初中階段對功的特殊性研究來代替高中階段的一般性肯定是不合適的，為此，功的研究應當做到遵循規(guī)律由淺入深地進行.《課程標準》的要求是：舉例說明功是能量轉(zhuǎn)化的量度，理解機械功的概念，知道功是標量，理解正、負功的意義，會用動能定理計算功.

基于以上分析結(jié)合對教材文本解讀，本節(jié)課的思維活動以下面3個基本知識為內(nèi)容：

①力對位移的累積效應為功；

②恒力功表達為力、位移及其夾角余弦值的乘積；

③功的計算及對其結(jié)果的討論.

對上面的3個基本知識，筆者設計了表1中所展示的6個基本問題，并提出了相應的思維能力.

31創(chuàng)設問題情境，啟動學生思維活動程序

中學物理“思維型”課堂要求教師要不斷地創(chuàng)設問題的情境，通過問題啟動學生的思維.亞里斯多德說過：“思維開始于疑問與驚奇，問題啟動思維”，這需要教師創(chuàng)造適合概念建立的情景，精心的設計問題.概念教學應設法創(chuàng)造思維情境，組織學生的思維活動，培養(yǎng)學生的物理抽象能力、概括能力、判斷能力和綜合分析能力.本環(huán)節(jié)圍繞“為什么要研究功這一概念？”這一問題展開，以培養(yǎng)分析與類比能力.

片段一巧用“斜面”，尋找不變量，提出新的問題

師：如圖2所示，質(zhì)量為m可視為質(zhì)點的滑塊分別從光滑斜面的頂端A點沿傾角為θ1、θ2、θ3滑下時，請同學們仔細思考，運動快慢和位置高低各有什么樣的共同特征？

生：位置越來越低，速度越來越大.

師：物塊沿傾角為θ2的斜面滑下，重力沿斜面方向的下滑分量與下滑距離的乘積是多少？這個乘積與傾角的變化有沒有必然的聯(lián)系？

生：這個乘積是mgsinθ2·hsinθ2=mgh，與傾角的變化沒有必然聯(lián)系.

師：結(jié)合斜面考慮上面的兩個問題，當物塊下滑過程中其動能增大同時重力勢能也跟著減小，在這兩種能量變化的過程中，同學們發(fā)現(xiàn)了不論斜面的傾角怎么變化，重力沿斜面方向的分量與下滑距離的乘積始終為mgh，且緊密聯(lián)系能量的變化.

評析通過斜面引導學生得出不變量mgh的過程中，借助兩個問題把學生的思維引向深入，特別是第二個問題的設計恰處在學生認知的最近發(fā)展區(qū)，激起了學生思維的漣漪.第二個問題的解答，既鍛煉了學生的分析能力，又潛在的回答了“為什么要引入功”（功是能量轉(zhuǎn)化的量度）這一問題，還進一步把學生的思維活動引向知識的最新發(fā)展區(qū)，為片段二的進行埋下了伏筆.

片段二借用“史料”，明晰必要性，引出功的概念endprint

師：人們對mgh的認識，最早源于早期工業(yè)革命發(fā)展的需要.工程師們認為在燃燒同樣多的燃料時可以利用機械舉起的重量與舉起高度的乘積來反映機械干活的多少，從而比較蒸汽機的優(yōu)劣，并把mg與h的乘積稱之為功.最后科學家科里奧利明確地把作用于物體上的力和受力點沿力的方向的位移的乘積叫做“力的功”.

生：哦，原來這樣！（學生發(fā)出驚嘆聲）

評析通過展示早期工業(yè)革命時期的老照片來激發(fā)學生學習的欲望，增加物理學的厚重感，讓學生體會到物理概念的建立是為了解決特定的問題而引入的，并非隨意而為之.片段二從物理學史的正面回答了建立“功”這一概念的必要性，同時學生發(fā)出驚嘆聲正源于對機械功“前生今世”的徹悟.至此思維路徑已打開，思維的內(nèi)驅(qū)力得到充分的啟動.

32巧設問題鏈條，驅(qū)動學生思維發(fā)展

物理教學的有效性在于教學的邏輯性，有邏輯的教學能夠使得教學變得有效.中學物理“思維型”課堂需要用最富邏輯性的問題鏈條串接學生的思維認知序列，不斷調(diào)整學生對物理概念的認知序，使其在思維活動中產(chǎn)生認知沖突從而產(chǎn)生心靈的震顫，達到對思維過程的推進，一步步地促成物理概念教材序向個體認知序轉(zhuǎn)化，最終形成正確概念.本環(huán)節(jié)主要圍繞“如何研究機械功”和“研究機械功需要經(jīng)歷怎樣的研究過程”這兩個基本問題展開，以培養(yǎng)學生的推理、遷移和解釋的能力.

片段3激發(fā)認知沖突，產(chǎn)生求知欲望

師：同學們，請仔細看看初中教材對功的表述，再看看你現(xiàn)在的教材，這兩者有什么不同？你有沒有自己的疑問？（展示初中物理教科書階段對功的表述）

生：都有兩個要素且用乘積表達功，功的單位沒有變，現(xiàn)在的教材把距離變成了位移，但距離與位移表達的含義不同，如果此時再分別與力的大小相乘，那么計算的結(jié)果會相同嗎？

師：好，其他同學是不是也有類似的看法呢？

生：嗯.（點頭）

師：嗯，其實老師也有這個疑惑.大家先把問題留在這里，等一會你就知道謎底了.

評析該片段的設計目的在于讓學生產(chǎn)生認知沖突，出現(xiàn)求知的欲望.該情景中，緊扣初高中對概念呈現(xiàn)方式的不同，讓學生自己發(fā)現(xiàn)其中的差異并產(chǎn)生心理上的未解答狀態(tài)，利用學生急于求解的心理，教師急轉(zhuǎn)課堂方向把學生的思維走向帶入未解問題求解的過程中，此時學生的心理狀態(tài)是期待.

片段4探尋方法線感知思維方向，形成正確概念

師：如圖3所示，根據(jù)功的定義恒力F對物塊做了多少功？

生：W=Fl.

師：圖3中的力F不但對物塊做了功而且大小為Fl.大家思考這樣一個問題，當恒力F與運動方向成某一角度時，力F還對物塊做功嗎？如果做了功其值是多少？請你自己在練習本上畫出情境圖并加以分析.（投影學生的草圖）

生：應該可以的，將力F沿位移的方向和垂直于位移的方向正交分解就行了，力的垂直分量與位移垂直不做功，力的水平分量與位移方向一致做功大小為W=F1l=Fcosα·l（至此，教師展示圖4指出這種分解的重要性）

師：是不是只能分解力到位移所在直線和垂直于位移的方向，力是矢量可以分解，那么位移呢？（請兩位同學上黑板演示解題，可請教老師和下面同學，下面同學可相互研究，最終得到W=F·lcosα的結(jié)論）

師生共同總結(jié)：求解恒力功可以直接使用W=Flcosα，α為力與位移共起點時的夾角，也可以先正交分解力再求解分力與位移的功求解，還可以先正交分解位移再求解力與分位移的功.這也就能夠回答為什么距離變成位移的問題，因為此二者在數(shù)學處理上是一致的.

評析思維型課堂強調(diào)教師對學生知識學習的引導，使學生能夠自主完成知識的自主認知建構(gòu)和與別人交流學習當中知識的社會建構(gòu)，也注重教師對學生思維方法的引導.該情景的研究方法從特殊走向一般，又由一般回歸特殊.將力與位移共線的情形轉(zhuǎn)向有夾角的情形，問題由特殊轉(zhuǎn)為一般，問題解決的性質(zhì)迫使學生啟動自我系統(tǒng)對問題加以甄別，尋找解決的辦法，在學生的心理上又再次產(chǎn)生了認知沖突.學生將力進行正交分解是自主建構(gòu)的過程，分解位移為社會建構(gòu)的過程.正是正交分解這一方法的使用溝通了特殊與一般的關(guān)系，又將一般化為特殊，思維加工的內(nèi)在動力得到激發(fā).

33精選物理習題，應用原理深化活化概念

物理習題的選擇要能很好的匹配所學習的新概念，用新概念解決新的物理情境下的物理問題.本環(huán)節(jié)的基本問題是：如何理解正、負功的內(nèi)涵？如何理解功是標量？分別用以培養(yǎng)學生的分析、分類和比較、善于分析的思維能力.

片段5應用習題理解概念意義

師：下面請大家認真完成課本59頁“問題與練習”[3]的第一個題目（圖5），并和周圍同學比對結(jié)果，看看你能發(fā)現(xiàn)什么問題.

生：甲圖中力F做功103J，乙圖為-103J，丙圖中為103J.功的結(jié)果有正、負的區(qū)別.

師：正、負號是怎么引入的？

生：正、負號由力與位移的夾角引入，當夾角為銳角時cosθ為正值，功就為正值；當夾角為鈍角時cosθ為負值，功就為負值.

師：同學們仔細思考，夾角有沒有特殊情形？

生：為90°時，cosθ值為0，功此時為0J；180°時，W=-Fl.

師：大家請看課本58頁的三幅圖片，你能不能從力的效果上說說功的正負的含義嗎？

生：力做正功時力為動力，力做負功時為阻力，不做功時速度大小不增不減.

評析該習題選自課后練習與前面知識相對應，既應用了功的計算公式，又將研究的方向轉(zhuǎn)到正負功的意義上來.整個過程發(fā)展了學生提取、執(zhí)行、實施的認知過程，讓學生體會知識是怎樣被應用的.

片段6增加習題梯度，穩(wěn)定思維結(jié)構(gòu)

習題展示：如圖6所示，在光滑水平面上，物體受兩個相互垂直的大小分別為F1=3N和F2=4N的恒力，其合力在水平方向上，從靜止開始運動10m，求：endprint

（1）F1和F2分別對物體做的功是多少？代數(shù)和為多大？

（2）F1和F2合力為多大？合力做功是多少？

師：所示習題第一問和第二問的結(jié)果分別是什么？（將學生分成兩大組分別解決第一、二問）

生（組1）F1和F2對物體做的功為W=W1+W2=18J+32J=50J.

生（組2）F=F21+F22=5N，合力F的功為W=Flcos0°=50J.

師：你們有沒有發(fā)現(xiàn)令你感到驚奇的事情？你能根據(jù)平行四邊形定則解釋它嗎？

生：做功的結(jié)果一樣.功應該是個標量.

師生共同總結(jié)：功為標量.合力功的計算可先求解分力功，再求其代數(shù)和，亦可先求解合力，據(jù)公式計算合力功.

評析穩(wěn)定的思維結(jié)構(gòu)只有在多次運用概念并解決問題的過程中才能形成，良好的思維只有通過對知識的實踐才能得到更好的發(fā)展.期間，知識的深化活化過程得以完成.

3.4回顧思維脈絡，反思物理概念建立過程

傳統(tǒng)概念教學將重點落實在了理解深化與活化的部分，思維型課堂不僅強調(diào)概念在應用中的理解，也同等重要的強調(diào)思維監(jiān)控在反思小結(jié)中的作用.思維監(jiān)控使得學習心理變得立體化，學生應該認識到自己的思考過程是怎樣進行的，而不是具體的學到了多少知識.反思環(huán)節(jié)著重圍繞“合力功的計算需要用到哪些基本的物理方法？”來進行，具體通過師生、生生間的相互問答來實現(xiàn)，充分地將功概念教學中所蘊藏的科學研究方法、思維路徑提煉出來.

4教學的反思

概念教學中需要以學生思維活動為核心巧妙地設計問題串，不斷激發(fā)學生的認知內(nèi)驅(qū)力，在師生、生生、組間和組外互動交流中完成知識的建構(gòu)，不論是概念的形成還是深化活化乃至最后的反思小結(jié)都需要學生覺察到自己的學習活動，并不斷調(diào)整自己的思維活動.筆者感受到“激疑——探析——建構(gòu)——深化——反視”讓整節(jié)課充滿了生命感，也覺得對思維型課堂具體模式和策略的不斷探索應當成為每一位物理教育工作者教研自覺.

參考文獻：

[1] 王長江，中學物理思維型課堂教學研究[M].北京：科學教育出版社，2015：13-15

[2] 王長江，胡衛(wèi)平 中學物理“思維型”課堂中概念的教學探討[J].2015（7）：2-6

[3] 人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材開發(fā)中心普通高中課程標準實驗教科書物理必修2[M].北京：人民教育出版社，2010：59endprint